大连太平湾港区人工湖工程水体交换数值模拟研究

解鸣晓, 李孟国，麦 苗, 姚姗姗, 李文丹

(交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术国家工程实验室 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456)

拟建大连太平湾人工湖工程位于辽东湾仙人岛至将军石岸段的大连太平湾海区，地理位置约东经121°52′、北纬40°0′，具体位置见图1中所示。目前，太平湾港区总体规划工程正在起步实施中。为更好的将港区产业与城市景观和谐统一，达到最佳综合效果，目前正在筹划建设人工湖工程。依托太平湾港区总体规划方案，人工湖景观工程共分为两个区段，其一为太平角处的太平湖工程，其二为将军石处的将军湖工程。两个人工湖均为人工疏浚所得的内湖，图2中示意了人工湖工程的平面布置情况。人工湖建设后，湖内水体与外海潮体的交换能力将对湖内水质有所影响。因此，全面了解与评价人工湖实施后湖内的潮流运动规律及湖内水体交换能力，是规划中应重点考虑的因素。

图1 工程区位示意 图2 人工湖方案布置示意 Fig.1 Location of the study site Fig.2 Planar layout of the artificial lake

此外，景观湖的建设不仅受制于水体交换能力，同时也需在外海潮汐涨落时保持一定的最小湖深，以保证游船在湖内通航。基于以上考虑，拟在太平湖口门附近设置拦水潜堤，以保证潮汐落至最低时，湖内仍有一定水深。然而，拦水潜堤的设置又将阻隔内湖与外海的潮体交换，随潜堤高程的增加，湖深条件更佳，但同时亦将降低湖内水体交换能力。总体来说，最大湖深与湖内水体交换能力是一对矛盾体，需平衡取舍。

对半封闭海湾内工程建设对水动力及水体交换能力的研究多采用基于过程的数学模型试验手段，技术手段较为成熟，并在大量工程案例中得到广泛应用，例如罗锋[1]、刘浩[2]等人分别对乐清湾、深沪湾内的纳潮量及水体交换情况进行了研究；许雪峰[3]、沈林杰[4]等人探讨了围垦工程建设对三门湾及河口地区水体交换的影响；王靖鑫[5]利用二维潮流、泥沙数学模型，从水体交换能力和泥沙输运角度，探寻了旅顺琥珀湾工程治理的合理方案等。

本文在对工程海域水动力环境全面分析的基础上，采用潮流数学模型试验、守恒性物质扩散数学模型试验相结合的研究手段，以北侧太平湖为例，对太平湾人工湖方案的整体流态、湖区内的水体交换能力进行研究，并论证了湖区口门潜堤高程对水体交换的影响规律，结论可为大连太平湾人工湖工程设计提供科学依据和技术支撑。

表1 太平湖各工况条件示意Tab.1 Scenarios of the Taiping artificial lake

1 研究区域概况

1.1 工程方案概况

太平湾港区总体规划方案由陆域围垦、进港航道及内港池三部分组成，其中进港航道底高程为-16.0 m，内港池根据不同功能区划，分为-16.0 m和-11.0 m两种底高程。太平湖工程位于太平湾港区的东北角处，向东浚深形成内湖，口门宽度约370 m，设计湖底高程-4.7 m，湖中建设人工岛屿。为保证湖内在潮流涨、落时可保有一定水体，在口门附近设置拦水潜堤。潜堤顶高程需论证，表1中给出了工况条件。

1.2 工程海域水动力环境

太平湾港区位于辽东湾东岸，属岬湾沙质海岸类型，基岩岬角众多，岬角间发育海湾，辽东湾内潮波由太平洋潮波经渤海海峡老铁山水道传入，潮汐属不规则半日潮，且日潮不等现象明显。据2010年5月29日～6月27日实测水文资料[6]，太平角平均潮差1.88 m，最大潮差3.08 m，最小潮差0.89 m；潮流类型为规则半日潮流，运动形式属往复流，图4～图5中分别给出了实测大、小潮期间的工程海域潮流运动矢量。

图3 海域2010年实测大潮流速矢量 图4 海域2010年实测小潮流速矢量 Fig.3 Current vector of 2010 spring tideFig.4 Current vector of 2010 neap tide

据文献[6]中统计，各站涨、落潮平均流向随位置不同略有变化，大潮涨潮时1#、2#、6#、7#站靠岸侧潮流向为60°左右，靠海侧潮流呈50°～60°变化，3#～5#站由于受太平角挑流的影响，流向呈30°～50°变化；落潮时，1#、3#由于太平角挑流和过岬角后潮流向太平湾内扩撒，其落潮流向太平湾内扩散，其流向分别为248°、208°，其他各站呈225°～237°间。大潮涨潮时，除1#处于向太平角北侧湾内扩散而流速为0.36 ms外，其他各站均在0.41～0.51 ms间，其变化为岸侧稍小，深水区稍大。3#～5#间由于局部地形作用，相对4#站流速略低。大潮落潮时各站流速介于0.35～0.40 ms，其中以3#～4#由于处于浅水区域而流速稍小，仅在0.35～0.36 ms。大潮垂线涨潮最大平均流速在0.65～0.95 ms，落潮时均处于0.64～0.74 ms间。

2 数值模拟计算方法

潮流数学模型理论采用平面二维浅水方程组，其基本形式见式(1)～式(3)。其中h为总水深；g为重力加速度；u和v分别为垂线平均流速在x,y方向上的分量；f为科氏力系数；ρ为水体密度；Ex和Ey分别为x,y方向的水平紊动粘性系数，可由Smagorinsky方程求解；τbx、τby分别为床面剪切力在x、y方向的分量；Sxx、Sxy、Syx和Syy分别为波浪辐射应力的各向分量。

模拟中计算域剖分采用无结构三角形网格，并采用多尺度模型嵌套手段。图5中示意了模型计算范围与网格配置情况，其中最小网格尺度为30 m。大尺度模型潮位边界条件由东中国海潮波运动模型提供，并考虑8个主要分潮(S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、M2)。

(1)

(2)

(3)

对水体交换程度的模拟采用示踪剂法，即在水城内部设置溶解态无降解守恒物质，并考察其在潮流动力作用下的浓度扩散情况。示踪剂输运采用基于欧拉物质输运的对流扩散方程形式，见式(4)

(4)

式中：C为守恒性物质浓度；Dwx和Dwy分别为x、y方向的物质扩散系数，可取为和紊动粘性系数相等；F为物质衰减系数，守恒性物质取为零。

2.1 模型建立与验证

5-a 计算域范围 5-b 局部模型网格剖分图5 模型计算域及网格配置Fig.5 Model domain and mesh resolution

为拟合复杂岸线和航道、堤线等细致建筑物边界，潮流数学模型中采用无结构三角形网格对计算域进行剖分，并采用大范围与局部模型嵌套方式进行计算，以消除模型范围过小带来的边界传入误差。图5-a中示意了模型嵌套范围，其中大范围包含整个渤海海域；局部模型北至营口港鲅鱼圈港区以北，南至长兴岛，西至约-30 m等深线。局部模型所需的潮位边界数值可由大范围模型提供。图5-b中示意了局部模型的网格剖分情况，最小空间步长为5 m，能够保证充足的网格分辨率。

模型验证依据2010年实测大、中、小潮水文测验数据(测点位置见图3～图4)。为节约篇幅，仅以大潮为例给出了部分测站潮位、流速流向验证结果，如图6中所示。其它验证成果可见文献[7]。据统计，计算值与实测值吻合良好，符合现行《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》要求。

图6 大潮潮位、流速流向验证(2010年5月29日 8:00～5月30日12:00)Fig.6 Model validation of the tidal level and current speeddirection

2.2 水体交换统计方法

目前对水体交换常用的数值模拟手段是基于欧拉法的示踪剂浓度统计，其原理为在所研究水域内设置溶解性守恒物质，该物质将随水体携带，且无降解。因此，守恒物质的对流与扩散直接反映了水体的运动形式。基于以上考虑，本研究中于太平湖内布置初始浓度为1.0的守恒性物质，湖外及外海水域物质浓度设置为0.0。为充分了解现状条件下各湖区内水体交换的时间过程，本次模拟时段采用连续潮作用一个月。由于采用守恒物质，衰减系数取F=0，点源浓度设置S=0。物质扩散系数取为与水流紊动粘性系数相等。经一定的时间过程后，自湖内扩散至湖外的物质总量占湖内初始物质总量的百分比即为水体交换率，统计计算表达式见式(6)

(6)

式中：EX为水体交换率；C为物质浓度；D为总水深；i为统计域内的节点编号；N为统计域内的节点总数；j为时刻编号。

3 人工湖内水体交换模拟及分析

3.1 潜堤高程对湖内流态分布影响

以大潮为例，图7～图9中分别给出了各工况湖内流态历时过程。经分析：

(1)工况S1#。涨潮时，外海潮体受太平湾港区北防波堤归束，口门外侧水体呈自西向东运移，部分进入口门内，部分跨过口门继续向东北侧流动；随进一步涨潮，外海潮体进一步进入湖区内部，口门流速逐渐增大。由于流速量值较低，潮体未达湖区末端时已开始落潮。涨憩时，口门内可有较弱回流生成。落潮基本为涨潮的反过程，湖内水体随落潮流并入外海主流，并呈自东向西流动。

(2)工况S2#。由于太平湖湖区外观未变，从而流场整体形态与方案S1#基本相同。然而，值得注意的是，由于口门内设置拦水潜堤，其高程为-1.7 m。在潜堤上方，由于水深陡然变浅，从而在过水断面束窄的条件下，潜堤上方流速局部有所增大。

(3)工况S3#。由于潜堤高程修筑至85高程基面以上+1.0 m，仅能在大潮部分潮时可有部分潮体进入湖内，从而湖内水体在大多数潮时与外海隔绝，成为封闭池湖，且在湖内形成极为微弱、较为散乱的回流流态。此外，由于相当于缩小了有效纳潮面积，外海涨潮时水体更加难以进入口内，导致湖内流速全面降低。

综上分析，由于各湖区口门朝向与外海潮流运动主轴夹角较大，从而湖内水体流动仅靠纳潮驱动。总体而言湖内流速均维持在较低水平，较为平静，适合游艇通航。然而，对太平湖而言，拦水潜堤建设将进一步降低流速，甚至在较高潜堤的条件下可将一定的外海潮体与湖内隔绝，可能造成与外海水体交换不通畅，是值得注意的问题。

图7 工况S1#太平湖内流态过程(左为涨急，右为落急)Fig.7 Current field in the Taiping Lake of S1#

图8 工况S2#太平湖内流态过程(左为涨急，右为落急)Fig.8 Current field in the Taiping Lake of S2#

图9 工况S3#太平湖内流态过程(左图为涨急，右图为落急)Fig.9 Current field in the Taiping Lake of S3#

3.2 潜堤高程对湖内浓度分布影响

根据上节中对湖内流态的研究结论，太平湖内流速很低，且平面呈现口门相对较高，末端流速几乎为零的趋势，这种流态格局将对水体交换率产生影响。因此，为全面了解各工况建设后，特别是太平湖内拦水潜堤建设后的水体交换能力情况，图10～图12中分别给出了不同代表工况条件下各湖区内在某个涨、落潮循环作用下的浓度时空分布过程，经分析：

(1)对不设置拦水潜堤的工况S1#而言，涨潮时，在指向湖内的潮体作用下，清澈海水进入湖内，并掺混稀释湖内相对浓度较高的水体，随逐渐涨潮，可稀释的水体越来越多；至落潮时，湖内原有相对浓度较高的水体，以及稀释后的水体一并随落潮流出外海。经过一个涨落潮循环，部分湖内水体可对流扩散出口门，并由外海潮体带至相邻的其他近海水域。

(2)对拦水潜堤高程为-1.7 m的工况S2#而言，由于地形局部抬高，纳潮容积变小，尽管在低潮位时潜堤不出露，但其湖区内交换能力与S1#相比略低。

(3)对拦水潜堤高程为+1.0 m的工况S3#而言，由于潜堤高程已显著影响湖内水位，绝大多数潮时外海水体无法进入湖内，从而湖区浓度最高，且在潮位低于+1.0 m时整个太平湖区成为封闭池湖，水体与外海无交换，仅在大、中潮落潮初期时可有极少水体流出外海，水体交换能力很低。

(4)无论何种工况条件下，太平湖区内浓度分布均呈现出显著的不均匀性，其中靠近口门一侧由于直接与外海相通，从而交换能力较强，但湖区末端由于流速很低，且距离口门较远，在对流作用下难以直接交换，而主要通过掺混扩散的形式与相邻水体进行稀释，并随落潮流逐渐流出该区。

总体而言，对各工况而言，湖区呈现出口门附近交换率较高，末端交换率很低的分布趋势。太平湖拦水潜堤高程增高后，湖区内浓度逐渐增高，显示出更低的交换能力。

图10 工况S1#太平湖内浓度过程(左为涨急，右为落急)Fig.10 Concentration in the Taiping Lake of S1#

图11 工况S2#太平湖内浓度过程(左为涨急，右为落急)Fig.11 Concentration in the Taiping Lake of S2#

图12 工况S3#太平湖内浓度过程(左为涨急，右为落急)Fig.12 Concentration in the Taiping Lake of S3#

3.3 潜堤高程对水体交换影响

图13中给出了各工况条件下的日均水体交换率时间过程，表2中给出了30 d内太平湖水体交换率的计算数值。经统计分析，得到以下主要结论：

(1)太平湖不建潜堤条件下，外海潮体可不受阻拦进入湖内，并随落潮向外扩散，水体交换能力最佳，月交换率可达86%左右。

(2)随拦水潜堤顶高程抬升，月水体交换率逐渐降低，这是由于当潜堤高程逐渐抬高时，特别是当顶高程位于85高程下-1.7 m以上时，开始有部分潮体被潜堤阻拦，愈加难以进入湖内。当潜堤高程为+1.0 m时，仅在中、大潮的高潮位附近时刻才有潮水进入湖内(见图14)，小潮时甚至无潮水进入，导致其水体极难与外海交换，月交换率仅为29%。

图13 各工况日均水体交换率时间过程Fig.13 Time series of the water exchange rate for different scenarios

图14 不同潜堤工况太平湖区外海潮位历时过程对比Fig.14 Time series of the tidal level in the offshore

综上分析，对太平湖口门拦水潜堤而言，其高程决定了水体交换能力的量级。当潜堤高程不断抬高，水体交换能力逐渐变差。根据以上结论，从改善太平湖内水体交换能力角度，不建议拦水潜堤修筑过高。

表2 人工湖各方案工况日均水体交换率数值Tab.2 Water exchange rate values for different scenarios

4 结论

本文围绕大连太平湾人工湖工程水动力及水体交换能力开展研究，建立了潮流、守恒性物质扩散数学模型，并以太平湖为例对人工湖不同潜堤工况实施后的湖内流态、水体交换率时空分布进行了模拟研究，得到以下结论：

(1)各湖区水体流动仅靠纳潮，流速整体均较低，大潮平均在0.2 m/s以内。流速分布呈口门附近略高，湖区末端接近静水的趋势。太平湖拦水潜堤高程越高，湖内流速越低。总体而言湖内较为平静，适合游艇通航。

(2)湖区呈现出口门附近交换率较高，末端交换率很低的平面分布趋势。太平湖不建潜堤条件下,水体交换能力最佳，月交换率可达86%左右。如拦水潜堤顶高程抬升，则月水体交换率降低，当潜堤高程为85高程上+1.0 m时，月交换率仅为29%。总体而言，拦水潜堤的高程决定了水体交换能力的量级。在方案选取中，应结合人工湖的规划功能等其他条件综合取舍。

(3)如期改善湖内水质，建议尽可能降低拦水潜堤高程，减少湖区内的无效水深。可考虑定期对湖区内进行换水；可考虑将潜堤设置为橡胶坝形式，定期下降高程泄水。此外，应严格控制污染物直接排放至湖区内部。

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